Спосіб термостатування біореактора при виробництві біогазу і добрива

1. Спосіб термостатування біореактора при виробництві біогазу і добрива шляхом стабільного підведення тепла до біомаси нагрівачами, розміщеними по периметру стін і дна біореактора, який відрізняється тим, що тепло від нагрівачів до 3 насоса з використанням тепла біогазу, що виходить з біореактору або теплового потенціалу зовнішнього середовища (повітря, вода). Розрахунки доводять, що при обігріві біомаси електроенергією в 1 кВтгод одержується 3600 кДж тепла, а при витраті того ж 1 кВтгод електроенергії у теплонасосному циклі можна одержати, як мінімум, у 5 разів більше, тобто 18000 кДж за рахунок поглинання тепла зовнішнього середовища. Тобто вартість 1 кВтгод для різних варіантів неадекватна. Нижче розглянуто патентні матеріали і літературні джерела періодичних видань, що присвячені проблемам виробництва біогазу і добрива. Патент UA 29997, С 02F 11/04; 11.02.2008 СПОСІБ ОДЕРЖАННЯ БІОГАЗУ ТА БІОДОБРИВ З ОРГАНІЧНИХ ВІДХОДІВ. Спосіб включає подріблення, нагрівання, гомогенізацію, анаеробну переробку в реакторі з відбором газу та вивантаженням перебродженої маси. А в основу корисної моделі поставлено завдання удосконалення способу одержання біогазу та біодобрив з органічних відходів, в якому анаеробну переробку органіки здійснюють послідовно в два етапи: на першому етапі анаеробної переробки органічних речовин шляхом біохімічного розщеплення в основному відбувається гідроліз - кислотоутворення; на другому етапі відбувається метаноутворення. За рахунок цього підвищується ступінь переробки органіки та вихід біогазу. У зв'язку з тим, що переробка органічного субстрату здійснюється в два етапи, відповідно у кожному із біо-реакторів створюються і підтримуються умови, специфічні для конкретних етапів. Наприклад, для гомогенізованої на 95% біомаси біохімічна та термічна активація відбувається при t=40 °С. Задані технологічні режими в реакторі першого етапу переробки відбуваються при t=39-40 °С, а задані технологічні режими в реакторі другого етапу проходять при температурі 36-38 °С. Авторами розробки не згадується, наскільки підвищується ступінь переробки органіки і вихід біогазу завдяки переходу на двохетапну анаеробну переробку. Відомо, що біореактор - конструктивно складний пристрій. Якщо при значних витратах на створення двох реакторів підвищення ступеню переробки і вихід біогазу буде менше 25% у порівнянні з традиційною схемою, то варіант, що пропонується, неконкурентоздатний. Прийняті 25% - це та мінімальна кількість біогазу, яка використовується на обігрів біомаси. Анаеробна переробка у двох біореакторах призведе до збільшення технологічних операцій, підвищуються трудозатрати і кількість виконавців, ускладнюється система обігріву біомаси, де підтримуються різні температурні режими. Патент UA 12596, С 02F 11/04 (Бюл. №2. 2006 р.) СПОСІБ ПЕРЕРОБКИ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ ВІДХОДІВ З ОДЕРЖАННЯМ БІОГАЗУ І ДОБРИВА. Спосіб включає відокремлення частин відходів (подріблення) частин відходів, завантаження їх в контейнери і розміщення їх вв резервуарі, внесення в контейнери анаеробних мікроорганізмів, зброджування відходів з відбором газу та виван 51129 4 таження зброджених відходів. Суть корисної моделі полягає у тому, що проводиться відокремлення відходів за фазовим фракційним (твердий, рідкий) видовим складами (солома, трава, листя, тваринницькі відходи) із завантаженням твердих відходів порізно в контейнери. Це дає можливість в одному контейнері концентрувати матеріали з відносно однаковою швидкістю зброджування і відповідно з ідентичною тривалістю циклу бродіння. Пристрій, на якому здійснюється заявлений спосіб, містить герметичний резервуар, у якому розміщені проникні сітчасті контейнери, які завантажуються у резервуар через гідро-затворні пристрої. Резервуар обладнаний пристроями для завантаження і вивантаження рідких відходів. У верхній частині резервуара розміщено газозбірник для накопичення і відводу по трубі біогазу. Наявність автономних контейнерів дозволяє самостійне завантаження-вивантаження в залежності від часу зброджування закладених у них органічних речовин. Наприклад, при однаковій температурі зброджування +30 °С завантажується окремо у проникні контейнери сітчастого типу субстрат свиней з тривалістю циклу зброджування 115 діб, солому, відповідно 123 доби і траву - із тривалістю 24 доби. Найбільший цикл зброджування субстратів, які завантажувались у резервуар, складає 123 доби, і за цей час проводиться п'ятикратна зміна контейнера з травою. Кожного разу вивантаження контейнера із збриженою травою проводиться з одночасним поверненням у резервуар рідкої частини за рахунок її гравітаційного стоку при підйомі контейнера над рівнем рідини. Розміщення проникних контейнерів у резервуарі з рідкою частиною відходів забезпечує підвищення ефективності анаеробного бродіння субстратів і утворюваного біогазу. Спосіб, що пропонується, з окремим завантаженням-вивантаженням субстратів, при однаковому температурному режимі, з різними термінами бродіння повністю відповідає технологічному регламенту створення оптимальних умов по раціональному використанню біологічного потенціалу кожного виду субстрату, але практична реалізація цього способу малоймовірна. При сприятливих умовах стабільного теплопостачання для обігріву біомаси процедура завантаження-вивантаження контейнерів із резервуара потребує спеціальних підйомно-вантажних механізмів, які пов'язані з суворим додержанням правил безпеки праці. Окрім, дуже незручного використання гідро затвору, кожна операція завантаження-вивантаження потребує ручної праці при вивантаженні із контейнера відпрацьованого субстрату, очікування деякий час для гравітаційного стоку рідкої частини і завантаження нової порції. За цей час порушується анаеробний режим і зупиняється процес газоутворення. Локальне розміщення у об'ємі резервуара проникних сітчастих контейнерів ускладнює важливий технолого-біологічний процес: рівномірне перемішування субстрату. Для кожного виду субстрату потрібен окремий контейнер, який потребує відповідного догляду. Пристрій для реалізації способу складний, громіздкий, а з міркувань 5 ергономіки - не зручний і небезпечний у експлуатації. Патент UA 21938, С 02F 11/04 (Бюл. №4. 2007) БІОРЕАКТОР Біореактор включає резервуар, газовий купол,встановлений з можливістю вертикальних переміщень, перемішувачі і трубопроводи у порожнині для подавання біомаси, виведення її після зародження та виведення біогазу. Корисна модель досягається тим, що у біореакторі в якості перемішувачів у виді сіток із пружних переплетених волокон, закріплених без натягу на рамках, дозволяє інтенсивно перемішувати і подрібнювати біомасу. Біореактор включає резервуар темного кольору і розміщений в ньому газовий купол також темного кольору, який за допомогою направляючих і роликів переміщується вздовж вертикальної осі. В нижній частині порожнини купола на 1/3 висоти розміщені перемішувачі у виді сіток із пружних волокон, закріплених між собою на відстані 20-30 мм на нижніх і верхніх рамках із двох жорстких пластин. Між пластинами розміщується легкий пінопласт, який дозволяє вертикальне переміщення рамок із сітками у об'ємі біомаси. У резервуар через патрубок подається біомаса, яка заповнює приблизно на 4/5 його об'єм. Спочатку газовий купол знаходиться в нижньому положенні на дні резервуара. По мірі накопичення у ньому біогазу і при попаданні сонячного проміння на темні поверхні резервуара і купола підвищується тиск і в результаті відбувається поступове вертикальне переміщення газового купола і одночасне перемішування біомаси за допомогою сіток. Сітки не заростають повністю бактеріями через самоочищення пружних волокон. Під час руху газового купола вгору виникає додаткове тертя волокон між сусідніми сітками і очищення їх від метанових бактерій і біомаси, а волокна верхніх сіток піднімають і подрібнюють плаваючий шар біомаси, що виключає його затвердіння, яке зменшує інтенсивність надходження біогазу в купол. При нагріванні біомаси в резервуарі і розширенні біогазу в куполі прискорюється рух куполу вгору. Це прискорює процес перемішування біомаси в резервуарі, інтенсифікує процес її зброджування і виділення біогазу без використання додаткових теплоносіїв і витрат на нагрівання біомаси. Тому для інтенсивного перемішування достатньо використовувати природні сили: сонячне випромінювання і процес зброджування біомаси, які призводять до підвищення тиску газу, що приводить у рух сітки для перемішування. Але в реальних умовах тривалість процесів зброджування біомаси, а також підвищення тиску біогазу у газовому куполі за рахунок сонячного випромінювання, з урахуванням теплової інерції біомаси, дуже повільні, тому ефект перемішування в таких умовах малий. Сітки із переплетених пружних волокон розміщені на 10-30 мм при заданих умовах утво рюють застійні зони, де навіть природна конвекція неспроможна здійснювати будь-які пере мішування. У даному випадку доцільно інтенсифікувати підігрів біомаси, що у деякій мірі, що у деякій мірі поліпшило б їїконвекцію. 51129 6 Патент UA 51209, С 02F 11/04; С 02F 3/28 (Бюл. №11. 2002) БІОГАЗОВА УСТАНОВКА Установка має резервуар з вхідними і вихідними патрубками, встановлений в ньому з можливістю вертикально-обертального руху газовий циліндричний ковпак, що має мішалку з лопатями, пристрій підігрівання у вигляді змійовика. Корисна модель досягається тим, що лопаті мішалок виконані у вигляді радіально-вертикальних решіток змінної щільності так. що живий переріз щілин збільшується до верху решіток і з закріпленим на нижній частині іммобілізатором, а змійовик обладнано вертикальними теплопровідними перегородками . що утворюють лабіринтні секції. На одній з сторін перегородок закріплені також іммобілізатори. Розміщення змійовика теплообмінника посеред резервуара в нижній його частині з теплопровідними перегородками покращує процеси теплообміну і рівномірне підігрівання біомаси. Вхідний і вихідний патрубки розміщені в крайніх, діаметрально протилежних лабіринтних секціях, що забезпечує лабіринт ний рух вхідної біомаси. Періодичним обертанням газового ковпака із закріпленою мішалкою з решітчастими лопатями, біомаса перемішується, гомогенізується, при цьому руйнується поверхнева кірка і піна. Біогаз, що утворюється при зброджуванні, накопичується під циліндричним ковпаком, підіймає його і використовується споживачем. Пристрій підігрівання нагріває вихідну і реакційну біомасу до режимної температури і підтримує її у заданий межах. При обертанні ковпака у напрямі, що співпадає з тангенціальною подачею, покращуються умови руху біомаси у лабіринт них секціях, в при протилежному обертанні ковпака поліпшується видалення як рідини, так і корки з нижнього і верхнього патрубків. У роботі не пояснюється, яким чином обертається ковпак з мішалками. Якщо механізмом, то він повинен бути реверсивним і з відповідним часовим керуючим приладом. Невідомо, який температурний режим маси, що підігрівається і чим він контролюється. По мірі підйому ковпака перемішування біомаси і її підігрів погіршуються внаслідок відсутності конвекції, що утворюється мішалкою з лопатями. Малоефективна тепловіддача від змійовика, що підігріває, до біомаси, внаслідок покриття активної поверхні теплопровідної перегородки нетеплопровідним шаром іммобілізатора. Крім цього, подовжньо-обтікаємі перегородки і труби змійовика у лабіринтному потоці, з точки зору тепловіддачі є найменш ефективні. Серед розглянутих способів і пристроїв, що забезпечують одержання біогазу і добрив, найбільш близьким до моделі, що заявляється є Патент на винахід UA 8268, С 02F 11/04 (Бюл. №1.1996) БІОГАЗОГЕНЕРАТОРНА УСТАНОВКА ДУТЧАКА Біогагенераторна установка включає у себе герметичні взаємопов'язані між собою резервуариреактори, в середині яких влаштовані перемішуючі біомасу пристосування, пристрої для подачі відходів і відводу біогазу і збродженої маси. А позитив 7 ний ефект використання установки досягається тим, що резервуар-реактор теплоізольовано, орієнтований на південь та нахилений під кутом 10... 15° до горизонту і вся біомаса при бродінні підігрівається сонячним теплом через подвійне скло рам, якими закриті нижні половини верхніх бічних поверхонь резервуарів-реакторів, що забезпечує конвективний теплообмін між шарами рідини усередині резервуарів-реакторів і, крім цього підігрів здійснюється вмонтованими усередині підігріваючими пристроями, які підігрівають біомасу теплоносієм від окремого джерела тепла. Процес бродіння додатково активізується вмонтованими в реактори перемішуючими механізмами, що зв'язані з еластичними діафрагмами, які при зміні тиску біогазу в реакторах прогинаються вгору або вниз, приводячи у рух перемішуючі агрегати. Реактори, нахилені під кутом 10-15° до горизонту. Внаслідок цього створюються сприятливі умови для природної конвекції між нижніми шарами, що нагріваються сонячними променями, і верхніми шарами рідини, якою залита біомаса в реакторі для циркуляції теплоносіїв у трубах колекторів, які і вмонтовані в реактори підігрівачів. Під реакторами розміщені теплоізольовані газгольдери. Робота установки починається після підготовки установки: розбирання шарнірного з'єднання і вузла діафрагми, заливання біомаси через горловину, зібрання всіх елементів діафрагми і агрегатів, що перемішують біомасу. При нагріві біомаси вище 25 °С починається бродіння з виділенням біогазу. Вважається, що при підігріванні до температури 32 °С - генерується 100% біогазу, а при підігріванні до температури 25 °С - тільки 75%. Оптимальна температура для зброджування (3237 °С) контролюється термометром. Для запобігання перегріву біомаси в літній період скляні рами затінюють брезентовими шторками. Реактор працює в автоматичному режимі. При бродінні біомаси протягом 15...20 діб виділяється біогаз, який збирається в горловині, і при підвищенні тиску прогинає діафрагму вгору, а зв'язаний з нею агрегат перемішує біомасу. Якщо тиск у реакторі перевищує тиск у газгольдері, то крізь зворотній клапан біогаз витискується у газгольдер і тиск у горловині знижується, що знову приводить у рух агрегат для перемішування. Величина прогину діафрагми контролюється показниками манометрів на реакторах або в газгольдері. При перевищенні тиску більше верхньої припустимої межі відкривається запобіжний клапан і біогаз викидається в атмосферу. Головна мета корисної моделі, що пропонується збільшення ефективності і, завдяки цьому, інтенсивності утворення біогазу, внаслідок раціонального термостатування біомаси, що зброджується. У роботі проілюстровано раціональне використання поновлюваних енергоджерел і оригінальне технічне рішення щодо застосування потенційної енергії стисненого газу для приводу у рух агрегату для перемішування. Але розміщення біореактора під кутом 10-15° до горизонту і, відповідно, до сонячних променів помилкове, що значно знижує ефект інсоляції. Найбільший ефект досяга 51129 8 ється, коли площина сприймаючих енергію елементів геліосистеми складає кут між сонячними променями 90°. Для умов експлуатації на території України кут нахилу біореактора відносно горизонту повинен бути не менше 45...55°, а при куті 10...15° навіть у зеніті Сонця непотрібно перекривати рами реактора брезентовими шторками. Окрім того, незручний в експлуатації і конструктивно складний механізм перемішуючого агрегату, який кінематично зв'язаний з еластичною діафрагмою, що закріплена на завантажувальній горловині. В установці не передбачені заходи щодо підтримання оптимального підігріву біомаси у межах 32...З7 °С при відсутності інсоляції, взимку, і не наводяться джерела підігріву. Недоцільними і екологічно невиправданими є викиди біогазу в атмосферу при перевищенні тиску в реакторі вище припустимої межі. Існує немало простих рішень, що запобігають викидам біогазу-метану в оточуюче середовище. Наприклад, викиди можна здійснювати у запасний металевий або гумо-тканєвий газгольдер та інше. Способи і пристрої, що розглянуті для виробництва біогазу і добрив не цілком відповідають сучасним вимогам науки і техніки в області використання поновлюваних джерел енергії. Рішення використання інсоляції шляхом обігріву частини біореактора, покритої темною фарбою, або розміщення біореактора під кутом 10... 15° до горизонту нівелюють потенційні можливості інсоляції. Невдалим рішенням є спалювання більше третини біогазу, що виробляється, для обігріву біомаси у реакторі. Технічна задача, на вирішення якої спрямовано винахід, полягає у тому, що спосіб термостатування біомаси у біореакторі стабільно забезпечується, незалежно від пори року: влітку тепловим джерелом є тепло інсоляції, що генерується у геліоколекторі з акумулятором (ємність), а взимку тепло генерується за допомогою теплового насосу. У теплонасосному циклі, при невеликих витратах енергії на роботу обладнання, низькопотенційне тепло біогазу, що виходить із біореактора, або тепло оточуючого середовища (повітря, вода) перетворюється на високотемпературний тепловий потік, який і є джерелом підігріву біомаси у біореакторі. На відміну від традиційних рішень охолодження біогазу з метою конденсування водяної пари з нього, шляхом введення окремих охолоджуючих пристроїв, у заявленому способі «викидне» тепло біогазу з користю застосовується у теплонасосному циклі для повернення цього тепла у замкнений контур. Окрім новизни, що визначається використання теплонасосного циклу при виробництві біогазу і добрива, корисним вбачається також застосування нагрівачів для біореактора, теп лообмінна поверхня яких виготовляється із високотеплопровідних (як у сталі Ст20) і повністю інертних в агресивних середовищах графіто-пластових труб замість малоефективних полімерних труб або із дорогоцінної нержавіючої сталі, яка має вдвічі менший коефіцієнт теплопровідності, ніж у графіто-пластових труб. 9 На наведеному рисунку зображений комплекс і його елементи, які реалізують спосіб по забезпеченню стабільного термостатування біореактора у будь-яку пору року. Комплекс включає в себе такі основні елементи: біореактор 4, заповнений біомасою 5, нагрівачі 6 із графітопластових труб, циркуляційний насос 7, розширювальний бачок 11, а газгольдер-накопичувач біогазу 8, геліоколектор 10, акумулятор води 9, теплонасосна установка з герметичним компресором 13, конденсаторводонагрівач 12, газо-повітро-охолоджувач 1, рекуперативний теплообмінник 15 і система повітрогазоходів 2,3,14,16,18, шибери 17. Робота комплексу Необхідний за технологічним регламентом температурний режим у біореакторі чітко підтримується як влітку, так і взимку. В літній період гаряча вода з геліоколектора накопичується у теплоізольованому акумуляторі 9 і насосом 7 нагнітається у секції нагрівачів, які можуть розміщуватись у товщі дна і стін біореактора або на деякій відстані від них у об'ємі біомаси. Гріюча вода постійно рециркулює між гелюколектором, акумулюючою ємністю і біореактором. Завдяки надійній теплоізоляції і визначеного об’єму акумулятора, який утворює достатню теплову інерцію, в нічні і непогожі години тепла акумуляції буде достатньо для підтримки необхідного температурного рівня біомаси упродовж однієї-двох діб. У зимовий період основним джерелом теплової енергії є тепло біогазу, що виходить із біореактора, і тепловий потенціал навколишнього середовища - зовнішнього повітря або води. Зазначені теплові джерела низькотемпературного рівня, але при незначній витраті енергії, у теплонасосному циклі підвищують температурний рівень робочого тіла до необхідного за технологічними параметрами. У теплонасосоному циклі в якості робочої речовини використовується екологічно безпечний фреон. Паро-рідинна суміш для дросельного вентиля 19 надходить у газо-повітряний охолоджувач, де, поглинаючи тепло біогазу або зовнішнього повітря, випаровується, і після теплообмінника 15 пара засмоктується компресором. Внаслідок витрати зовнішньої роботи циклу тиск і температура значно підвищуються і перегріта гаряча пара нагнітається у змійовик конденсатора-водонагрівача І2. У результаті інтенсивного теплообміну між гарячою парою і водою остання значно підвищує температуру і накопичується у ємності акумулятора 9, звідки засмоктується насосом 7 і нагнітається у нагрівачі 6 біореактора 4. Біомаса-субстрат інтенсивно перемішується по всьому об'єму біореактора, завдяки чому вся маса субстрату рівномірно прогрівається поверхнею нагрівачів, які розміщуються попериметру стін і днища. Інтенсивне перемішування і необхідний температурний рівень - два фактора, які домінують у процесі виробництва біогазу і якісного добрива. 51129 10 Біогаз, який постійно виділяється із субстрату, накопичується у верхній частині 8 герметичного біореактора 4, звідки надходить в газоповітроохолоджувач 1, або, при необхідності, обминаючи його. Проходячи через апарат 1, газ віддає тепло киплячому фреону, охолоджується, звільнюється від води, підсушується і при закритих шиберах на каналах 3,14 і 16, при відкритому шибері 17 на каналі 18, надходить до споживача. Якщо немає потреби у підсушуванні біогазу, його подають до споживача по каналу 14 при закритих шиберах на каналах 2 і 18. За цей час теплове джерело надходить від зовнішнього повітря, яке підводиться вентилятором каналом 3 і відводиться каналом 16. З метою ефективного використання теплового потенціалу зовнішнього повітря у залежності від його температурного рівня у відповідну пору року виконується необхідне регулювання дросельного вентиля 19. Далі цикл повторюється. Реалізація заявленого способу термостатування біореактора не передбачає будь-яких ускладнень. Виготовлення і монтаж елементів комплексу не викликає труднощів, тому що, наприклад, для біореакторів існує цілий арсенал конструктивних рішень. Щодо теплонасосної установки, то цей блок складається із серійних стандартних елементів: компресора, конденсатора-нагрівача води і повітроохолоджувача з вентилятором, системи магістралей і арматури. Установка комплектується приладами автоматичного контролю, захисту і регулювання. У цілому установка комплектується із готових елементів, за винятком необхідності виготовлення повітрогазопроводів і теплообмінних секцій нагрівачів із графіто-пластових труб. Секції виготовляються для кожного реактора індивідуально, залежно від конструкції і розміщення перемішуючих агрегатів. Технологія виготовлення секцій із графіто-пластових труб відпрацьована фахівцями ОДАХ у співдружності з одеськими заводами «Холодмаш» і «Продмаш». Технологія виготовлення вимагає додержання певних умов техніки безпеки праці, але після полімеризації з'єднань вироби безпечні при експлуатації для обслуговуючого персоналу. Реалізація способу обігріву біореакторіз влітку може здійснюватися сумісно з геліоколектором і теплонасосною установкою, а взимку - тільки з діючою теплонасосною установкою. Джерела інформації 1. Клименко В. Сільськогосподарські біогазові установки: зарубіжний досвід. УкрНТВУІП ВТ. Науково-технічний журнал Техніка АПК, № 6,7, 2006. С.20. 2. Биогаз на сельском подворье. Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы» №2, февраль 2008. - 20 с. 3. Биогазовая установка ЗОРГ Украина. ООО. К., 2009. 11 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 51129 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601